(57)【要約】【課題】パワー半導体素子との接合に融点の低い半田を用いる必要がなく、かつ高い動作温度域でもその形状を保持することができる、高温で動作するパワー半導体装置用の絶縁基板を提供すること。【解決手段】本発明のパワー半導体用絶縁基板は、鋼板の表面に、軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするものである。７００℃以上の軟化点を有するＳｉＯ２系ガラスフリットとしては、ＳｉＯ２を５０〜７０質量％、ＴｉＯ２を１０〜３０質量％、ＺｎＯを１〜１０質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０質量％、及びＶ２Ｏ５を１〜５質量％含むものが挙げられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の表面に、軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするパワー半導体用絶縁基板。
【請求項２】
前記ＳｉＯ２系ガラスフリットが、ＳｉＯ２を５０〜７０質量％、ＴｉＯ２を１０〜３０質量％、ＺｎＯを１〜１０質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０質量％、及びＶ２Ｏ５を１〜５質量％含むことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体用絶縁基板。
【請求項３】
前記鋼板が、琺瑯用鋼板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体用絶縁基板。
【請求項４】
前記絶縁層の厚さが、１０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のパワー半導体用絶縁基板。
【請求項５】
前記絶縁層上に回路層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のパワー半導体用絶縁基板。
【請求項６】
鋼板の表面に、軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリットを含むスラリーを塗布した後、該軟化点以上の温度で焼成して鋼板表面上に絶縁層を形成する工程と、
該絶縁層上に導電性ペーストを印刷した後、１５０℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の温度で焼成して回路層を形成する工程と
を有することを特徴とするパワー半導体用絶縁基板の製造方法。
【請求項７】
パワー半導体素子の片面に、請求項５に記載のパワー半導体用絶縁基板の回路層が２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有する金属溶加材料を介して接合されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
パワー半導体素子の両面に、請求項５に記載のパワー半導体用絶縁基板の回路層が２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有する金属溶加材料を介してそれぞれ接合され、該パワー半導体素子が樹脂で封止されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体用絶縁基板、その製造方法及びパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、パワー半導体として主流となっているのは、Ｓｉ半導体である。しかし、Ｓｉ半導体は動作電圧などの点において限界にきており、次世代半導体の開発が積極的に進められている。次世代半導体として注目を浴びているのはＳｉＣやＧａＮである。Ｓｉ半導体からＳｉＣ半導体やＧａＮ半導体へシフトすることで、動作温度の上限が１３０℃程度から２５０℃程度に上昇すると言われている。この温度域になると、半導体素子を水冷等で強制冷却しなくても装置と外気との温度勾配のみで装置を動作温度以下に抑えることが可能となる。パワー半導体装置に強制冷却が不要となった場合、装置を構成する材料に対する要求も変化する。具体的には、放熱性（熱伝導性）よりも高温実装可能であるかが重要になる。
【０００３】
ところが、現行の半導体装置では、絶縁基板と半導体素子とを接合するのにＳｎ系半田が用いられている（例えば、特許文献１を参照）が、Ｓｎ系半田の融点は２３０℃程度であるためそれより高い動作温度域では使用できないという問題があった。また、現行の半導体装置では、窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された絶縁基板が使用されている（例えば、特許文献２を参照）が、高い動作温度域ではアルミニウム板が軟化してしまい、その形状を維持することが困難になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６８３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１３５３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、高温で動作するパワー半導体装置に使用することのできる絶縁基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、鋼板の表面に特定の軟化点を有するＳｉＯ２系ガラスフリットを焼成してなる絶縁層を形成した絶縁基板が、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、鋼板の表面に、軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されていることを特徴とするパワー半導体用絶縁基板である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高温で動作するパワー半導体装置に使用することのできる絶縁基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの一構成例を説明するための模式断面図である。
【図２】本発明のパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの一構成例を説明するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のパワー半導体用絶縁基板は、鋼板の表面に、軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリットを焼成して得られる絶縁層が形成されているものである。
【００１０】
本発明で使用する鋼板としては、特に限定されるものではないが、低炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼、特殊鋼等が挙げられる。Ａｌめっき、Ｚｎめっき等が表面に施されためっき鋼板は、絶縁層を形成する際に、めっき被膜中の成分と鋼板のＦｅ成分とが反応（合金化）して脆い金属間化合物を生成するため、本発明での使用に適さない。より具体的には、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ３１４１「冷間圧延鋼板及び鋼帯」、ＪＩＳ  Ｇ  ３３１１「みがき特殊鋼帯」、ＪＩＳ  Ｇ  ４３０５「冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯」等に記載された鋼板が挙げられる。
【００１１】
本発明で使用する軟化点が７００℃以上のＳｉＯ２系ガラスフリット（ガラス粉末）としては、ＳｉＯ２を５０〜７０質量％、ＴｉＯ２を１０〜３０質量％、ＺｎＯを１〜１０質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜１０質量％、及びＶ２Ｏ５を１〜５質量％含むものが好ましい。ＳｉＯ２の含有量が５０質量％未満であると、絶縁層の形成ができない場合があるので好ましくなく、また、７０質量％を超えると、軟化点が８００℃を超えてしまう場合があるので好ましくない。ＴｉＯ２の含有量が１０質量％未満であると、絶縁性が不十分となる場合があるので好ましくなく、また、３０質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。ＺｎＯの含有量が１質量％未満であると、絶縁層の平滑性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、１０質量％を超えると、耐水性が劣る場合があるので好ましくない。Ａｌ２Ｏ３の含有量が１質量％未満であると、密着性が劣る場合があるので好ましくなく、また、１０質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。Ｖ２Ｏ５の含有量が１質量％未満であると、絶縁層の均一性が損なわれる場合があるので好ましくなく、また、５質量％を超えると、絶縁層の形成が難しくなる場合があるので好ましくない。
より好ましくは、ＳｉＯ２を６０〜６５質量％、ＴｉＯ２を１７〜２３質量％、ＺｎＯを２〜６質量％、Ａｌ２Ｏ３を２〜６質量％、及びＶ２Ｏ５を２〜４質量％含むＳｉＯ２系ガラスフリットである。
【００１２】
ＳｉＯ２系ガラスフリットの軟化点を７００℃以上に規定した理由は、７００℃未満の軟化点では、基材となる鋼板表面との反応性が劣り、良好な密着性が得られないためである。基材との密着性が良好で平滑な絶縁層を形成するという観点から、ＳｉＯ２系ガラスフリットの好ましい軟化点は、７００〜８００℃である。ＳｉＯ２系ガラスフリットの軟化点は、各成分の含有量を調節することで変更することができ、例えば、ＳｉＯ２の含有量を増減させればよい。
【００１３】
上記したＳｉＯ２系ガラスフリットを構成する各成分の平均粒子径（Ｄ５０）は、特に限定されるものではないが、より平滑で均一な絶縁層を形成するという観点から、好ましくは０．５〜２０μｍであり、より好ましくは３〜５μｍである。なお、平均粒子径は、レーザー式粒度分布計を用いて測定される値である。
【００１４】
上記したＳｉＯ２系ガラスフリットの焼成により得られる絶縁層は、窒化アルミニウムからなる従来の絶縁層よりも絶縁性が高いので、厚さを薄くしても十分に絶縁性を確保することができる。そのため、絶縁基板を薄型化することができ、結果として、パワー半導体装置の小型化が可能となる。具体的には、厚さが６００μｍの一般的な窒化アルミニウムからなる絶縁層と同程度の絶縁性を、本発明では３０〜４０μｍ程度の厚さの絶縁層で達成することができる。例えば、窒化アルミニウムの絶縁破壊電圧は４０ｋＶ／ｃｍ程度であるので、厚さ６００μｍの窒化アルミニウムによる絶縁層では２．４ｋＶ程度の耐電圧が得られる。この耐電圧は、パワー半導体の動作電圧として１ｋＶ程度を想定する場合には充分に余裕のある値である。しかし、窒化アルミニウムよりも絶縁破壊電圧が大きい絶縁材料で絶縁層を構成することができれば、より薄い絶縁層でも同等の耐電圧が得られる。本発明に従ったガラスフリットの焼成により得られる絶縁層は、７００ｋＶ／ｃｍ程度の大きな絶縁破壊電圧を呈するので、３５μｍの絶縁層厚さがあれば２．４ｋＶ程度の耐電圧が得られるのである。絶縁層の厚さは、求められる絶縁性に応じて適宜設定すればよいが、好ましくは１０〜２００μｍであり、より好ましくは２０〜１００μｍである。なお、絶縁層の厚さは、例えば、電磁誘導式膜厚計で測定することができる。
【００１５】
また、本発明のパワー半導体用絶縁基板における絶縁層は、ＳｉＯ２系ガラスフリットの組成を上記した範囲内で調整することにより、鋼板の熱膨張率に近づけたり、パワー半導体素子と鋼板との間の熱膨張率にすることができる。このように熱膨張率を調整することで、パワー半導体装置で生じる熱応力を緩和することができるという利点を有する。
【００１６】
この絶縁層は、鋼板の表面に、上記したＳｉＯ２系ガラスフリットを含むスラリーを塗布した後、これを、ＳｉＯ２系ガラスフリットの軟化点以上の温度で焼成することにより形成することができる。ＳｉＯ２系ガラスフリットを含むスラリーの塗布は、スプレー法等の琺瑯の技術分野で公知の方法により行うことができる。絶縁層形成時の焼成温度がＳｉＯ２系ガラスフリットの軟化点未満であると、鋼板に絶縁層を密着させることができない。絶縁層形成時の焼成温度の上限は、特に限定されるものではないが、冷却時の歪を考慮すると、９００℃程度とすることが望ましい。より好ましい焼成温度は、ガラスフリットの軟化点以上８５０℃以下である。焼成時間は、特に限定されるものではないが、通常、１〜６０分である。
【００１７】
本発明のパワー半導体用絶縁基板の絶縁層上には、回路層が形成されていてもよい。本発明における回路層は、絶縁層上に導電性ペーストを印刷した後、１５０℃以上ガラスフリットの軟化点未満の温度で焼成することにより形成することができる。窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された従来の絶縁基板では、金属層を約６００℃でろう付け接合した後、金属層をエッチングして回路層を形成する必要があったが、本発明のパワー半導体用絶縁基板では、絶縁層上に回路層を直接形成することができるので、エッチング工程が不要になるという利点がある。ここで使用する導電性ペーストとしては、Ａｇナノ粒子を含む低温焼成型導電性ペーストが好ましく、より具体的には、Ａｇナノ粒子：酸化Ａｇ粒子が重量比で１０〜０．０１：１である混合粉末とアクリル等の樹脂バインダーとを水や有機溶媒中に添加したものである。導電性ペーストの印刷は、スクリーン印刷などにより行うことができる。回路層形成時の焼成温度が１５０℃未満であると、回路としての導電性が不十分となり、一方、ガラスフリットの軟化点以上の焼成温度では、ガラスフリットの軟化が起きてしまう。
【００１８】
上記のように回路層が形成されたパワー半導体用絶縁基板を用いたパワー半導体モジュールの具体的な構成例としては、図１に示されるように、パワー半導体素子１０の片面に、パワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２が金属溶加材料１３を介して接合されたものや、図２に示されるように、パワー半導体素子１０の両面に、２枚のパワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２が金属溶加材料１３を介してそれぞれ接合され、更にパワー半導体素子１０が樹脂１４で封止されたものが挙げられる。窒化アルミニウム等からなるセラミックス基板にアルミニウム部材が接合された従来の絶縁基板では、パワー半導体素子が搭載される面にＮｉ無電解めっきを施す必要があったが、本発明のパワー半導体用絶縁基板では、Ａｇ焼成層がＮｉめっき層の代替として作用するので、そのようなＮｉ無電解めっき工程が不要になるという利点がある。
本発明のパワー半導体用絶縁基板に搭載されるパワー半導体素子１０としては、ＳｉＣ半導体素子、ＧａＮ半導体素子等が挙げられる。
パワー半導体素子１０と、パワー半導体用絶縁基板１１の回路層１２とを接合するのに使用される金属溶加材料１３としては、２００℃以上該ガラスフリットの軟化点未満の融点を有するものであればよい。このような金属溶加材料１３の具体例としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ−Ａｌ等が挙げられる。
パワー半導体素子１０の封止に使用する樹脂１４としては、シリコーン等が挙げられる。
また、上記のように構成されたパワー半導体モジュールには、ヒートシンクなどの強制冷却器を設ける必要がないので、装置を小型化することができるという利点がある。
【実施例】
【００１９】
６５質量％のＳｉＯ２、２２質量％のＴｉＯ２、５質量％のＺｎＯ、５質量％のＡｌ２Ｏ３及び３質量％のＶ２Ｏ５からなる軟化点が７４０℃のガラスフリット（平均粒子径３〜５μｍ）を水と混合してスラリーを作製した。厚さ０．５ｍｍの低炭素鋼板の表面に、スラリーをスプレー塗布し、７５０℃で５分間焼成して厚さ２０μｍの絶縁層を形成した。
【００２０】
＜耐電圧の評価＞
ＪＩＳ  Ｃ  ２１１０に基づいた測定方法により、２０μｍの厚さの絶縁層を形成した鋼板の絶縁破壊電圧を測定したところ、１．５ｋＶであった。この耐電圧は、現在の自動車関連部品において一般的に必要とされる動作電圧７００Ｖの２倍を超える値である。
【００２１】
＜熱膨張係数の測定＞
ＪＩＳ  Ｒ  ３１０２に基づいた測定方法により、絶縁層を形成するガラスフリット単体で棒状に焼成し、焼成後の熱膨張係数を測定したところ、１３×１０―６／℃であり、絶縁層の素地である鋼材の熱膨張係数（１０×１０−６／℃〜１７×１０−６／℃）に近い値を示した。
【００２２】
＜耐冷熱衝撃性の評価＞
大気雰囲気中で−４０℃×３０ｍｉｎ→２５０℃×３０ｍｉｎ（１サイクル）とサンプルの温度を変化させる冷熱衝撃試験を１０００サイクル実施した。試験実施後の鋼素地と絶縁層との界面や絶縁層には大きな亀裂や欠陥は認められなかった。
【００２３】
上記の評価結果から分かるように、実施例で得られた絶縁基板は、ガラスフリット焼成による絶縁破壊電圧が高い絶縁層を備えているため、絶縁層を従来よりも薄くでき、それにより冷熱繰り替えし衝撃試験にも耐え、高温動作可能なパワー半導体装置に好適に使用することができると言える。
【符号の説明】
【００２４】
１０  パワー半導体素子、１１  パワー半導体用絶縁基板、１２  回路層、１３  金属溶加材料、１４  樹脂。
【図１】
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【図２】
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